Исследование двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Г.Ф. Дробышев
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ
ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Методические указания
к выполнению домашнего задания
по курсу «Электротехника и электроника»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.313.3
ББК 31.261.2
Д75
Рецензент А.В. Смирнов
Д75
Дробышев Г.Ф.
Исследование двигателя постоянного тока с параллельным
возбуждением : метод. указания к выполнению домашнего задания по курсу «Электротехника и электроника» / Г.Ф. Дробышев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 18, [2] с. :
ил.
Рассмотрены режимы работы двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением при пуске и торможении, а также его рабочие
характеристики в условиях изменяющихся параметров цепи управления. Приведены справочные данные о двигателях.
Для студентов 3-го курса всех специальностей МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Методические указания рекомендованы Учебно-методической комиссией НУК ФН.
УДК 621.313.3
ББК 31.261.2
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ
Приступая к выполнению данного задания, необходимо знать
основные конструктивные элементы двигателей постоянного тока
(статор, обмотка статора, якорь, обмотка якоря), их классификацию
по способу возбуждения и механические характеристики, а также
способы регулирования их скорости вращения (числа оборотов в
минуту).
Очень важно правильно понимать связь между напряжением
на зажимах двигателя, его ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря: Iяrя. В задание включены характерные режимы работы
двигателя с параллельным возбуждением, и их проработка будет
способствовать более глубокому усвоению студентами изучаемого
материала.

1. СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ
Для двигателя с параллельным возбуждением (табл. 1, рис. 1):
Таблица 1
Номер варианта
задания
Тип двигателя
Номер варианта
задания
Тип двигателя
1
МП-12
9
МП-72
2
МП-22
10
ПН-10
3
МП-32
11
ПН-28,5
4
МП-41
12
ПН-45
5
МП-42
13
ПН-68
6
МП-51
14
ПН-85
7
МП-52
15
ПН-100
8
МП-62
Рис. 1. Схема включения
двигателя с параллельным
возбуждением
1)
рассчитать
и
построить
естественную механическую характеристику n = f(M) и скоростную характеристику n = f(Iя) в пределах от M = 2Mн
до M = −2Mн;
2) определить значение сопротивления пускового реостата для получения
пускового тока Iп = СIя.н. Построить
искусственную механическую характеристику;
3) определить скорость вращения
двигателя при номинальном моменте на
4

валу, если в цепь якоря включено добавочное сопротивление, равное Krя;
4) определить значение добавочного сопротивления, которое необходимо включить в цепь якоря, чтобы при моменте
Mи = DMн двигатель работающий в режиме противовключения, развивал скорость вращения nи = Lnн.
Построить искусственную механическую характеристику при
этом сопротивлении. Числовые значения С, D, L, K, M
взять
из табл. 2.
Таблица 2
Номер варианта
задания
С
D
L
K
M
а
1,0
0,8
0,7
5,5
1,1
б
1,4
1,0
0,6
0,5
1,2
в
1,2
1,2
1,0
4,0
1,3
г
1,6
1,5
0,3
3,5
1,4
д
2,0
1,6
0,8
3,0
1,15
е
2,2
1,8
2,0
5
1,25
ж
1,8
1,3
0,5
6
1,35
з
2,1
0,5
0,75
7
1,5
и
1,5
2,0
0,4
8
1,45
2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
На современном этапе развития промышленности, транспорта,
сельского хозяйства и новых отраслей техники широко применяется автоматизация управления различными рабочими процессами и
исполнительными механизмами. Такая автоматизация немыслима
без использовании различных маломощных двигателей постоянного и переменного тока мощностью от нескольких единиц до сотен
ватт в качестве как управляющих, так и исполнительных элементов
в системах автоматики.
5

Существует большое разнообразие конструкций различных типов двигателей, малой мощности. В некоторых из этих конструкций наблюдается органическое соединение двигателей с приборами и механизмами, в результате чего двигатель часто лишается
своих индивидуальных форм и превращается в «оживляющий» орган механизма.
Наименьшая мощность применяемых и строящихся в настоящее время двигателей постоянного тока достигает значений порядка нескольких десятых долей ватта при скорости вращения
10 000. . . 15 000 об/мин.
В каждом двигателе в соответствии с принципом работы электромеханических преобразователей, имеются два основных узла.
Один узел создает магнитное поле системой катушек, питаемых от
источника постоянного тока и расположенных на полюсах (рис. 2).
Это магнитная система двигателя. Обычно она выполняется или
в виде сплошной стальной станины со съемными цельными или
шихтованными полюсами (см. рис. 2), или же в виде шихтованной
станины вместе с полюсами. Магнитный поток, создаваемый электромагнитами или постоянными магнитами, замыкается по магнитной цепи, включающей полюса, станину, два воздушных зазора
и якорь. Другой узел ориентирует проводник с током и обеспечивает преобразование электромагнитной энергии в механическую.
Рис. 2. Конструкция машины постоянного тока
6

При мощности двигателя 150. . . 200 Вт магнитную систему
делают обычно двухполюсной, при больших мощностях выгодно выполнять ее четырехполюсной. Шихтованную станину и полюса штампуют из листовой электротехнической стали толщиной
0,5 мм. Катушки (обмотки) возбуждения заготовляют предварительно на шаблоне, а затем укладывают на полюса при сборке
машины. Якорь электродвигателя постоянного тока представляет
собой пакет, собранный из наштампованных дисков, выполненных
из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,55 мм
(см. рис. 2). В пазах якоря размещают проводник с током.
Характерной частью, общей для большой группы электрических машин, является коллектор (см. рис. 2), представляющий
собой ряд медных изолированных друг от друга пластин, образующих цилиндрическую поверхность; пластины коллектора соединяются проводниками с обмоткой машины, расположенной на
ее вращающейся части (на якоре). На коллектор накладываются
неподвижные щетки, посредством которых осуществляется соединение вращающейся обмотки машины с внешней электрической
цепью. Применение коллектора позволяет, осуществить выпрямление переменной ЭДС, индуцируемой во вращающейся обмотке,
в постоянное напряжение на щетках.
Существуют три способа организации возбуждения. Обмотка
возбуждения может запитываться от источника по схеме, показанной на рис. 3, — это параллельное возбуждение — или по схеме, приведенной на рис. 4, — это последовательное возбуждение.
Наконец, в специальных случаях находит применение смешанное
возбуждение (рис. 5).
Рис. 3. Схема параллельного возбуждения
7

Рис. 4. Схема последовательного возбуждения
Рис. 5. Схема смешанного
возбуждения
Скорость вращения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением определяется из уравнения электрического равновесия в цепи якоря
Uн = Eн + Iяrя,
(1)
где Uн — приложенное номинальное напряжение; Eн — ЭДС, наводимая в обмотке якоря; rя — активное сопротивление обмотки
якоря. Так как ЭДС связана со скоростью вращения двигателя n
магнитным потоком Φ, формулой Eн = СЕnΦ, то скоростная характеристика двигателя с учетом (1) будет равна
n = Un −Iя(rя + rдоб)
CЕ Φ
.
(2)
Здесь Iя — ток в цепи якоря; rя — активное сопротивление обмотки якоря; rдоб — добавочное сопротивление в цепи якоря;
CE — коэффициент пропорциональности, определяемый конструкцией двигателя.
С помощью уравнения (2) можно определить скорость вращения n двигателя в установившемся режиме и не учитывать ЭДС
самоиндукции, возникающей в переходном процессе.
Механическую характеристику двигателя M(n) можно получить из уравнения скоростной характеристики n(Iя) и уравнения
M = СM ΦIя [1]:
n =
Un
СЕ Φ −
rя
СЕСМ Φ2 М .
(3)
8

При неизменных параметрах U, Φ, r эта характеристика представляется прямой линией. Характеристика, полученная при отсутствии внешних сопротивлений якоря в цепи и при номинальных
значениях напряжения и магнитного потока двигателя, называется
естественной.
Из уравнения (3) следует, что регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением
может быть осуществлено путем изменения:
1) сопротивления цепи якоря;
2) подводимого к якорю двигателя напряжения;
3) тока возбуждения (магнитного потока).
На рис. 6 представлены механические характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением для различных
сопротивлений цепи якоря. Как видно, при M = 0 все характеристики проходят через одну точку. Скорость в этой точке не зависит
от сопротивления в цепи якоря; она называется скоростью идеального холостого хода n0 и определяется выражением
n0 =
Un
СЕ Φ.
(4)
Для построения механической характеристики двигателя достаточно знать две ее точки, одна из которых соответствует
М = Mн и n = nн, другая — М = 0, n = n0.
Рис. 6. Механические характеристики двигателя постоянного тока для
различных сопротивлений якорной цепи
9

Номинальные значения параметров двигателей приведены
в табл. 3.
Таблица 3
Тип
двигателя
Pн, кВт
Iн, А
nн, об/мин
Uн, В
МП-12
2,5
14,2
1300
220
МП-22
4,5
26
1100
220
МП-32
9
48
900
220
МП-41
12
64
685
220
МП-42
16
84
700
220
МП-51
23
120
600
220
МП-52
33
168
650
220
МП-62
46
231
580
220
МП-72
75
374
520
220
ПН-10
1,0
12,2
1420
110
ПН-28,5
1,6
19,0
1000
110
ПН-45
2,5
14,1
1000
220
ПН-68
3,7
42,0
1000
110
ПН-85
5,6
30,0
1000
220
ПН-100
5,8
68,0
800
110
Искусственная механическая характеристика при любом добавочном сопротивлении rдоб строится также по двум точкам —
точке n = n0 (M = 0) и точке nи, соответствующей точке Mн при
заданном сопротивлении rдоб, которая определяется по формуле
nн =
Uн
СЕ Φ −rя + rдоб
СЕСМ Φ2 Мн.
(5)
На рис. 7 приведены механические характеристики двигателя
при различных напряжениях. Так как работа двигателя при U > Uн
недопустима, то изменение напряжения, подводимого к якорю, дает возможность регулировать скорость вращения двигателя только вниз от номинальной. Наклон всех характеристик сохраняется
10